能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑探究

劉開俊

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209)

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能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑探究

劉開俊

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209)

過度依賴化石能源的發(fā)展模式正在發(fā)生變革，加快構(gòu)建以清潔能源輸送為主導(dǎo)的能源互聯(lián)網(wǎng)已成為能源發(fā)展的必然趨勢。分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵和特征，闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)框架體系構(gòu)建和頂層設(shè)計(jì)的基本理念，以電力發(fā)展為核心提出了能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的任務(wù)和挑戰(zhàn)，并對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路徑進(jìn)行了展望。

能源互聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；多網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃；分布式能源；特高壓輸電

0 引 言

化石能源過度使用導(dǎo)致能源緊張、氣候變化、環(huán)境污染等問題日益突出，能源發(fā)展面臨著如何更安全、高效、環(huán)保地利用傳統(tǒng)能源并將其與清潔能源相結(jié)合的重大挑戰(zhàn)。近年來，能源發(fā)展逐步向以新能源技術(shù)和信息技術(shù)的深入融合為特征的新型能源利用體系，即能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型。發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)了人類對當(dāng)前能源、環(huán)境問題的深刻認(rèn)識(shí)和思考，目的是對能源與社會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行更高層次的融合，優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，提升能源利用效率[1]。目前，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍處于概念雛形階段，缺乏對能源互聯(lián)網(wǎng)整體框架體系的全面定義和頂層設(shè)計(jì)理念、以及對中長期的發(fā)展路徑的合理設(shè)想。

本文在第三次工業(yè)革命提出的能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵特征的基礎(chǔ)上，以能源互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)消費(fèi)四個(gè)革命之間的關(guān)系為指導(dǎo)，全面闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系及頂層設(shè)計(jì)理念，并以電力系統(tǒng)為核心，闡述了能源安全、能源流與電力流的協(xié)調(diào)規(guī)劃、輸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廣域資源優(yōu)化配置及分布式能源靈活接入等關(guān)鍵問題，展望了能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)路徑，旨在為今后能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃提供借鑒與參考。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵

美國著名學(xué)者杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中提出能源互聯(lián)網(wǎng)愿景，引發(fā)了全球關(guān)注。根據(jù)里夫金的描述以及后續(xù)研究者們的展望，能源互聯(lián)網(wǎng)是一種以清潔能源輸送為主導(dǎo)，以互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以電力系統(tǒng)為核心并與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他系統(tǒng)緊密耦合而形成的大型能源互聯(lián)系統(tǒng)，具有能量流與信息流雙向流動(dòng)的特性[2-3]。

能源互聯(lián)網(wǎng)是兼容傳統(tǒng)電網(wǎng)，充分利用分布式清潔能源，滿足用戶用能需求多樣化的新型能源體系結(jié)構(gòu)，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。能源互聯(lián)網(wǎng)不僅具備傳統(tǒng)電網(wǎng)所具備的供電功能，還能夠作為實(shí)現(xiàn)公共的能源交換和共享平臺(tái)，與消費(fèi)者進(jìn)行互動(dòng)，讓消費(fèi)者也成為生產(chǎn)者。能源互聯(lián)網(wǎng)將能源和信息這兩者緊密地聯(lián)系在一起，推動(dòng)能源領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，促使互聯(lián)網(wǎng)從最初的消費(fèi)型互聯(lián)網(wǎng)向生產(chǎn)型互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變，最終變成一個(gè)生產(chǎn)型互聯(lián)網(wǎng)和發(fā)展型互聯(lián)網(wǎng)并重的時(shí)代[4-5]。未來成熟的能源互聯(lián)網(wǎng)將呈現(xiàn)四大主要特征：

(1)開放性。隨著清潔能源逐步成為能量的主要來源以及分布式技術(shù)的大范圍推廣，能源互聯(lián)網(wǎng)需要形成開放式的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信息的隨時(shí)隨地接入與獲取，支持大規(guī)模分布式設(shè)備以及不同能源網(wǎng)絡(luò)的分散接入，平衡能量的供給與需求。

(2)互聯(lián)性。系統(tǒng)為支持大規(guī)模分布式能源的接入，將建立起小規(guī)模、廣分布的局域網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)廣域多種能源形式間的轉(zhuǎn)換，必須實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；ヂ?lián)，形成簡捷高效的能量交換方式。

(3)對等性。能源互聯(lián)網(wǎng)中所有接入單元的連接都必須建立在分散交換和路由的基礎(chǔ)之上，相互間實(shí)現(xiàn)對等的能流雙向流動(dòng)，在保證冗余和可靠性的同時(shí)不降低系統(tǒng)的利用率。

(4)共享性。能源互聯(lián)網(wǎng)借鑒互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中社交網(wǎng)絡(luò)的信息共享機(jī)制，以分散式的局部最優(yōu)實(shí)現(xiàn)全局能量管理的調(diào)度優(yōu)化，為電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)與電氣化交通網(wǎng)構(gòu)建能源共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)能源、信息的廣域共享。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)示意圖Fig. 1 Architecture of Energy Internet

2 能源互聯(lián)網(wǎng)框架頂層設(shè)計(jì)理念解析

能源互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是滿足大規(guī)模清潔能源安全高效利用和充分共享的綜合能源系統(tǒng)，根本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)終端能源的“清潔替代”和“電能替代”，徹底變革現(xiàn)有的能源生產(chǎn)和消費(fèi)模式，樹立互聯(lián)共享的能源觀念，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)、供給、技術(shù)、體制的四個(gè)革命。

2.1 促進(jìn)形成高度開放、市場化的能源體制

能源互聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)支持產(chǎn)用一體(Prosumer)的新型能源生產(chǎn)與消費(fèi)形態(tài)。從根本上改變現(xiàn)有的自然壟斷的能源體制，對于推動(dòng)能源市場發(fā)展、行業(yè)體制改革具有重要意義。

在保障能源安全可靠供應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過制定健全的能源法治體系，允許大量社會(huì)資本作為獨(dú)立主體參與能源行業(yè)的各環(huán)節(jié)，構(gòu)建高度開放、有效競爭的市場結(jié)構(gòu)。充分利用市場優(yōu)化配置資源的作用，還原能源的商品屬性，建立基于市場規(guī)律的精細(xì)化價(jià)格機(jī)制，引導(dǎo)并鼓勵(lì)清潔、節(jié)約、高效的能源生產(chǎn)消費(fèi)方式。同時(shí)，積極推行能源及相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，保障能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范有序地發(fā)展。

2.2 構(gòu)建互聯(lián)共享的多元化能源供給體系

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，大規(guī)模清潔能源將采用集中和分布式結(jié)合的開發(fā)模式，在終端能源消費(fèi)中逐步取代常規(guī)化石能源，形成多種清潔能源為主、常規(guī)化石能源為輔的多元化能源供應(yīng)格局，實(shí)現(xiàn)多類型能源互補(bǔ)供應(yīng)，降低單一能源供應(yīng)短缺帶來的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高能源供應(yīng)可靠性。

新型智能化的輸配網(wǎng)絡(luò)將改變傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)中生產(chǎn)順應(yīng)消費(fèi)、能源單向流動(dòng)的方式，形成具有生產(chǎn)消費(fèi)雙向互動(dòng)、多種能源橫向轉(zhuǎn)化特點(diǎn)的全新能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。一是利用特高壓交直流輸電技術(shù)和柔性輸電技術(shù)不斷擴(kuò)大清潔能源的輸送范圍和消納空間，充分發(fā)揮不同地域間能源類型互濟(jì)和時(shí)空互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)全國、洲際、甚至全球范圍內(nèi)互聯(lián)共享的全新能源供給網(wǎng)絡(luò)；二是在配電網(wǎng)層面滿足分布式清潔電源、電動(dòng)汽車、靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷等可控分布式設(shè)備的大規(guī)模接入，使能源用戶兼有生產(chǎn)者和消費(fèi)者雙重屬性，通過能源路由器(Energy Hub)構(gòu)建用戶之間的能量交換平臺(tái)，協(xié)調(diào)控制能量在生產(chǎn)、使用和儲(chǔ)存各環(huán)節(jié)之間靈活雙向流動(dòng)；三是以電網(wǎng)為紐帶，通過電動(dòng)汽車和充換電裝置與交通網(wǎng)結(jié)合形成智能電氣化交通網(wǎng)，通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的融合，實(shí)現(xiàn)能量在多種用能網(wǎng)絡(luò)中的橫向轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高能源供給的靈活性。

2.3 實(shí)現(xiàn)清潔、節(jié)約的能源消費(fèi)模式

能源互聯(lián)網(wǎng)將促使清潔能源在終端能源的占比大大提升。同時(shí)，隨著電氣化交通網(wǎng)和氣電混合網(wǎng)絡(luò)的形成，進(jìn)一步深化社會(huì)生產(chǎn)生活電氣化水平。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動(dòng)我國終端能源消費(fèi)中的“清潔替代”和“電能替代”，優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，有利于提高能源利用效率。

終端能源用戶在用能產(chǎn)能上將具有選擇權(quán)和自主管理權(quán)。選擇權(quán)是指用戶利用具有信息能量雙向流動(dòng)功能的新型基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時(shí)了解能源價(jià)格，面對多元化的能源供應(yīng)可以選擇能源形式及供應(yīng)商。自主管理權(quán)是指用戶通過需求側(cè)能源管理系統(tǒng)可以自主控制發(fā)電、儲(chǔ)能、智能電器的精細(xì)化控制，在節(jié)約用能的同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)利益，逐漸改善用能習(xí)慣，建立清潔、節(jié)約的能源消費(fèi)觀念。

2.4 引領(lǐng)能源信息技術(shù)革新

能源互聯(lián)網(wǎng)并不是對現(xiàn)有電網(wǎng)、交通網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等用能系統(tǒng)的簡單疊加，而是通過新型能源與信息技術(shù)，對智能電網(wǎng)為核心的多種能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級改造，有效支撐清潔能源的高效可靠利用和能量與信息的高度融合及協(xié)調(diào)控制，引導(dǎo)清潔高效的能源生產(chǎn)消費(fèi)模式，滿足能源發(fā)展戰(zhàn)略需求。

以電能作為能量傳輸和轉(zhuǎn)化的核心和紐帶，能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)革新主要涵蓋能源生產(chǎn)、傳輸、分配、儲(chǔ)存、消費(fèi)、轉(zhuǎn)化等幾個(gè)方面：一是開發(fā)轉(zhuǎn)化效率更高的清潔能源發(fā)電設(shè)備，尤其是適用于家用、商用的分布式發(fā)電系統(tǒng)；二是新型智能電網(wǎng)是能量輸配的關(guān)鍵技術(shù)，在輸電網(wǎng)重點(diǎn)發(fā)展以特高壓為骨干的輸電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔能源遠(yuǎn)距離大容量的優(yōu)化配置，在配電網(wǎng)基于先進(jìn)電力電子技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展具有智能能量管理、智能故障隔離、支持分布式設(shè)備“即插即用”等功能的新型智能電網(wǎng)；三是積極開發(fā)并廣泛應(yīng)用新型電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能等能效更高、壽命更長、成本更低的儲(chǔ)能裝置；四是推廣智能家電、電動(dòng)汽車、快速投切負(fù)荷等可控負(fù)荷，利用其資源屬性提高電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活性；五是進(jìn)一步發(fā)展電轉(zhuǎn)氣等新型能源技術(shù)，以電能為紐帶實(shí)現(xiàn)多種能源形式之間靈活轉(zhuǎn)化。

3 建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵問題是發(fā)展電力

電能是清潔、高效的二次能源，大規(guī)模風(fēng)能、太陽能等清潔能源只有轉(zhuǎn)化為電能才能實(shí)現(xiàn)高效利用。電網(wǎng)是支撐電力傳輸和分配的物理平臺(tái)，也是多種能源相互轉(zhuǎn)化的樞紐。因此，電力對于建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)終端能源“兩個(gè)替代”至關(guān)重要，其面臨的主要挑戰(zhàn)是從多能融合的角度落實(shí)以電力為中心的能源安全和能源系統(tǒng)規(guī)劃，滿足清潔能源的廣域消納和分布式接入。

3.1 落實(shí)以電力安全為中心的多元化、全方位能源安全

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，清潔、高效的電力將在終端能源系統(tǒng)中承擔(dān)更為重要的角色，大規(guī)模清潔能源和常規(guī)化石能源均需要轉(zhuǎn)化為電力，同時(shí)多種一次、二次能源間的轉(zhuǎn)化也需要以電力為紐帶，因此落實(shí)電力安全就是從根本上為能源安全提供保障。

未來電力系統(tǒng)發(fā)展的首要任務(wù)是在充分利用風(fēng)電、光伏等大規(guī)模清潔能源的同時(shí)，解決其出力間歇性、隨機(jī)性對電力安全產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)。首先，在電源集中開發(fā)的送端，可以根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉捶A賦采用多種清潔電源與常規(guī)電源聯(lián)合送電的方式，降低電源基地送出電力的總體波動(dòng)性。其次，通過構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和利用柔性輸電技術(shù)，加強(qiáng)電網(wǎng)對傳輸功率波動(dòng)的調(diào)節(jié)能力和承受能力。最后，在用戶密集的配電網(wǎng)構(gòu)建滿足能量靈活自由交互的能量路由器，利用電動(dòng)汽車、可控負(fù)荷等新元件實(shí)現(xiàn)對大量分布式電源的出力波動(dòng)的時(shí)間空間轉(zhuǎn)移，保證電力供需平衡。

電力安全的另一項(xiàng)任務(wù)是發(fā)展發(fā)電能源多元化。在堅(jiān)持發(fā)展風(fēng)電、光伏的基礎(chǔ)上，開發(fā)并完善生物質(zhì)、地?zé)?、潮汐能等多種新型清潔能源發(fā)電技術(shù)，同時(shí)積極推廣應(yīng)用電轉(zhuǎn)氣等能源轉(zhuǎn)化新技術(shù)，不斷降低電力生產(chǎn)對常規(guī)非可再生能源的依賴程度，實(shí)現(xiàn)多類型能源互補(bǔ)和靈活轉(zhuǎn)化，降低單一能源短缺對電力生產(chǎn)供應(yīng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，廣泛掌握能源鏈各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)信息，對危及能源安全的因素及其發(fā)生概率、危害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評估，有效提高能源安全事前風(fēng)險(xiǎn)管理和預(yù)警水平。

3.2 電網(wǎng)發(fā)展需要針對能源流規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)與交通、天然氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)中電氣化交通網(wǎng)和電力、天然氣混合網(wǎng)的發(fā)展，未來電力系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心，承擔(dān)著協(xié)調(diào)多種能源輸配、轉(zhuǎn)化的重要任務(wù)。因此，為保證能源的安全高效利用，電網(wǎng)規(guī)劃必須以能源流設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，不僅要考慮電力流設(shè)定的邊界條件，更要綜合考慮多能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化，以低碳發(fā)展、經(jīng)濟(jì)高效、技術(shù)可行為原則，重點(diǎn)解決電網(wǎng)與交通網(wǎng)、電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)等多能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃的新問題。

首先，在電氣化交通系統(tǒng)中，電網(wǎng)規(guī)劃必須加入針對電動(dòng)汽車充電設(shè)施的布局和定容規(guī)劃：一是考慮道路結(jié)構(gòu)、交通流量、充電行為對電力負(fù)荷時(shí)空分布的影響，保證充足電力供應(yīng)提供充電服務(wù)；二是隨著V2G(vehicle to grid)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，應(yīng)考慮將大量車載電池作為分布式儲(chǔ)能元件充分利用，利用智能能量管理系統(tǒng)統(tǒng)籌優(yōu)化電池充放電行為，調(diào)節(jié)負(fù)荷峰谷、支持清潔能源消納。

其次，近年出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣(power to gas)技術(shù)可以利用電能將水與空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)生甲烷(天然氣的主要成分)，使電力與天然氣的雙向轉(zhuǎn)化成為可能。該技術(shù)的成熟和應(yīng)用將推動(dòng)電力、天然氣系統(tǒng)不斷加深融合，因此，電網(wǎng)規(guī)劃一方面要充分考慮天然氣可靠供應(yīng)對燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力的影響，另一方面要優(yōu)化電轉(zhuǎn)氣設(shè)施的分布和容量，將清潔能源的富余電力高效地轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行輸送、存儲(chǔ)、再利用，提高清潔能源利用率。

以上幾類考慮多系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃的電網(wǎng)規(guī)劃問題在數(shù)學(xué)上均可以簡化抽象為多級混合整數(shù)規(guī)劃模型(Multistage Mix Integer Programming)，需要在常規(guī)規(guī)劃方法和理論上有所創(chuàng)新和突破[6-7]。一是在規(guī)劃模型的建立過程中，基于多種能源的生產(chǎn)消費(fèi)平衡與流動(dòng)規(guī)模，在優(yōu)化目標(biāo)、邊界條件和可控變量等方面綜合考慮電力、交通、天然氣等多種不同社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)因素的影響；二是在數(shù)學(xué)模型求解方法和理論上，可以采用啟發(fā)式算法(heuristic algorithm)或人工智能算法(artificial intelligence algorithm)，解決求解模型維度急劇增加造成常規(guī)運(yùn)算方法求解困難的問題，提高可行解尋優(yōu)的計(jì)算效率；三是在電網(wǎng)規(guī)劃中引入模糊理論、博弈論等方法，以解決市場環(huán)境、政策法規(guī)以及運(yùn)營體制等因素對電網(wǎng)規(guī)劃的不確定性影響。

3.3 加強(qiáng)輸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源廣域優(yōu)化配置，重點(diǎn)發(fā)展特高壓輸電和柔性輸電技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)通過以電網(wǎng)為核心的輸配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)清潔能源的最優(yōu)分配，因此必須擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以提高其規(guī)模效益。從我國能源稟賦來看，清潔能源集中開發(fā)基地主要分布于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的西部和北部地區(qū)，且本地消納能力有限；從全球視角來看，清潔能源主要分布于“一極一道”地區(qū)，同樣存在利用和消納困難的問題。為滿足大規(guī)模清潔能源電力超遠(yuǎn)距離、超大容量輸送至電力負(fù)荷中心，必須進(jìn)一步發(fā)展特高壓交直流輸電技術(shù)，研制高可靠性、適應(yīng)極端氣候的換流變壓器、換流閥、直流濾波器等直流輸電設(shè)備，建設(shè)并不斷擴(kuò)大特高壓骨干網(wǎng)架覆蓋范圍，形成國內(nèi)互聯(lián)、洲內(nèi)互聯(lián)、乃至全球互聯(lián)能源網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)能源時(shí)空互補(bǔ)和資源優(yōu)化配置[8-9]。

柔性直流輸電是基于電壓源換流器(VSC)技術(shù)的新一代直流電網(wǎng)技術(shù)，是構(gòu)建能源互聯(lián)骨干網(wǎng)架的另一項(xiàng)核心技術(shù)，構(gòu)建大容量的電力傳輸直流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)新能源的平滑接入，有功、無功的獨(dú)立控制，快速靈活的電力配置，全局功率的調(diào)節(jié)互濟(jì)，在與交流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)送出等方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢[10]。未來柔性直流技術(shù)的主要發(fā)展前景一是直流電網(wǎng)拓?fù)?、安全穩(wěn)定特性研究、與交流系統(tǒng)相互作用機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究，二是在更高電壓等級交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜、直流斷路器以及新型大容量絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等設(shè)備器件的突破。

3.4 建設(shè)新一代配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備的友好接入

面對能源互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量龐大的分布式設(shè)備接入需求，電力系統(tǒng)必須發(fā)展能夠滿足用戶自由接入的即插即用(plug and play)平臺(tái)，使系統(tǒng)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是為用戶提供友好自由的接入環(huán)境，并在用戶自由投切負(fù)荷或分布式電源時(shí)最小化對系統(tǒng)側(cè)的擾動(dòng)；二是利用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，使大量分布式設(shè)備接入電網(wǎng)后可以通過廣域協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分配和管理。

以美國FREEDM系統(tǒng)研究中心研發(fā)的固態(tài)變壓器(Solid State Transformer，SST)為代表的新型電力電子設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上述功能[11]。SST是基于大功率開關(guān)器件和高頻變壓器的變換器，其核心硬件由整流器、變換器和逆變器三部分組成。與傳統(tǒng)變壓器相比，SST利用電力電子控制技術(shù)和直流總線儲(chǔ)能功能，具有雙向潮流靈活轉(zhuǎn)變、功率因數(shù)可控修正、用戶側(cè)電壓整定、故障雙向隔離等創(chuàng)新功能，支持系統(tǒng)與用戶之間的實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)現(xiàn)電力高效路由控制管理。

目前，SST已經(jīng)集成了智能能量管理(IEM)系統(tǒng)和故障隔離設(shè)備(FID)等裝置并成功應(yīng)用在“1MW 綠色能源路由器”系統(tǒng)示范工程中，利用標(biāo)準(zhǔn)化通信接口，實(shí)現(xiàn)龐大量的分布式設(shè)備的廣域協(xié)調(diào)控制，根據(jù)系統(tǒng)需要可以采用集中式分層計(jì)算或分布式計(jì)算等先進(jìn)優(yōu)化控制算法，處理規(guī)模龐大的系統(tǒng)變量信息，充分發(fā)揮可控元件的調(diào)峰、儲(chǔ)能潛力。該類技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用還需要大功率半導(dǎo)體開關(guān)、大容量儲(chǔ)能元件、分布式算法、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理、信息安全等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，提高系統(tǒng)的兼容性、靈活性和穩(wěn)定性。

4 我國能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施路徑

根據(jù)國務(wù)院近日發(fā)布的《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》中所提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源行動(dòng)計(jì)劃，能源領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)能源系統(tǒng)扁平化，引領(lǐng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式革命，推進(jìn)分布式能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提高清潔能源占比，促進(jìn)能源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加快電網(wǎng)智能化改造，全面提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和靈活性。

能源互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)體系與能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)間信息流和能源流的雙向互動(dòng)，這與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)思路是相似的。但能源互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)之間也存在的差異：傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建是自下而上，從每一個(gè)基礎(chǔ)單元開始的，對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和可靠性也沒有嚴(yán)格的限制；能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建則是在電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)都在并行發(fā)展的基礎(chǔ)上，研究如何在各網(wǎng)絡(luò)間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，滿足能量與信息的高效、安全、可靠共享需要。因此能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展既要借鑒傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，也要充分考慮自身的獨(dú)特性。

為實(shí)現(xiàn)構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)，需要從頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)創(chuàng)新等多個(gè)方面和環(huán)節(jié)入手，從多網(wǎng)絡(luò)并行發(fā)展到相互融合，從簡單架構(gòu)到復(fù)雜體系，全面建立能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。

近期要站在全局高度，做好頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)研究，明確能源互聯(lián)網(wǎng)的功能定位與組織架構(gòu)，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)布局，協(xié)調(diào)發(fā)展，確定能源互聯(lián)網(wǎng)的未來的發(fā)展模式和技術(shù)需求，特別是要重視對能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的統(tǒng)一、深入研究，以便為后續(xù)工作的開展提供依據(jù)。

中期要根據(jù)頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)，在電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和電氣化交通網(wǎng)中同步推動(dòng)分布式、清潔能源、智能控制、信息管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)分享安全等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新，并根據(jù)“E-Energy”、“Energy Hub”等相關(guān)研究計(jì)劃，開展新技術(shù)與各能源網(wǎng)絡(luò)的融合實(shí)驗(yàn)，確保能源互聯(lián)網(wǎng)中各子網(wǎng)絡(luò)的并行智能化升級，為最終形成能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造條件。

遠(yuǎn)期通過信息的實(shí)時(shí)互通與廣域共享，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、電氣化交通網(wǎng)的融合，為大規(guī)模清潔能源的接入和消納提供堅(jiān)強(qiáng)的智能化平臺(tái)。根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況，在需求調(diào)研、機(jī)制設(shè)計(jì)、政策支持等方面完善軟環(huán)境，最終使能源互聯(lián)網(wǎng)成為橫向多資源優(yōu)化互補(bǔ)，縱向生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、儲(chǔ)存鏈條最優(yōu)，適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的未來理想能源體系，全面帶動(dòng)清潔能源體系建設(shè)和先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展，全面實(shí)現(xiàn)能源供給和消費(fèi)革命。

5 結(jié) 語

能源互聯(lián)網(wǎng)是將清潔能源技術(shù)和信息技術(shù)高度融合的新型能源利用體系，代表了以清潔能源輸送為主導(dǎo)的未來能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

能源互聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)理念是以國家能源“四個(gè)革命”為指導(dǎo)，在開放性的能源體制下，通過互聯(lián)共享的多元化供給體系完成終端能源“兩個(gè)替代”，形成清潔高效的消費(fèi)模式，引領(lǐng)能源信息技術(shù)革新，最終發(fā)展為滿足大規(guī)模清潔能源高效利用和充分共享的綜合能源系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命。

落實(shí)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵是堅(jiān)持以電力發(fā)展為核心，重點(diǎn)解決落實(shí)全方位能源安全，以能源流為基礎(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃多能融合系統(tǒng)，進(jìn)一步發(fā)展特高壓和柔性輸電技術(shù)、以及分布式設(shè)備即插即用接入，滿足大規(guī)模清潔能源安全利用和互聯(lián)共享等關(guān)鍵問題。近期要盡快明確頂層設(shè)計(jì)和完善相關(guān)政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)，中期并行開展電網(wǎng)等子網(wǎng)絡(luò)的升級改造，遠(yuǎn)期適時(shí)完成多網(wǎng)融合，全面實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想。

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劉開俊，男，教授級高工，電力系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>

(編輯： 魏希輝)

Development Path Exploration of Energy Internet

LIU Kaijun

(State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China)

The development patterns of over reliance on fossil energy are changing, accelerating the construction of energy internet with clean energy transmission as the core has become the inevitable trend of energy development. This paper analyzed the basic connotation and characteristics of energy internet, and expounded the basic idea of its framework system construction and top-level design. Finally, taking the power system development as the core, this paper proposed the task and challenge in the development of energy internet, and discussed the development path of the energy internet.

energy internet; smart grid; multi network coordinated planning; distributed energy; UHV transmission

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(北極風(fēng)電開發(fā)與全球互聯(lián)電網(wǎng)展望)。

TM 715

A

1000-7229(2015)10-0005-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.10.001

2015-08-10

2015-09-11